楊　堃，王　茜，秦樹蓬，楊　帆，李　新

(1.中國華電清潔能源有限公司華北分公司，天津 300010；2.中國華電科工集團有限公司；3. 湖南省頁巖氣開發(fā)有限公司)

?

中國頁巖氣勘探新思路

楊堃1，王茜1，秦樹蓬2，楊帆2，李新3

(1.中國華電清潔能源有限公司華北分公司，天津 300010；2.中國華電科工集團有限公司；3. 湖南省頁巖氣開發(fā)有限公司)

頁巖氣具有自生自儲、低孔低滲的特點，它的成藏機理與常規(guī)氣藏相似，對產量貢獻最大的是游離氣。高產頁巖氣藏需要具備以下四個基本條件：具有持續(xù)生氣能力的頁巖，網(wǎng)狀微裂縫發(fā)育，氣藏發(fā)育在構造封閉的寬緩背斜中頂?shù)装鍘r層致密，形成巖性圈閉。盆地內構造運動影響較小、成藏諸要素具備，是國內重點頁巖氣勘探區(qū)域，尤其是四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組及下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖，應作為我國頁巖氣勘探的重點目標。

中國頁巖氣；四川盆地；成藏機理；富集高產條件

自1821年第一口頁巖氣井啟動，美國頁巖氣技術研究及開采手段極速發(fā)展，為全球頁巖氣的發(fā)展樹立了標桿。我國頁巖氣具有資源總量大、層系多、分布廣的特點，探明儲量超過5 000×108m3。近年來我國對頁巖氣的研究取得了豐碩成果，中國石化的涪陵頁巖氣田探明儲量3 805.98×108m3, 中國石油的長寧頁巖氣田上羅區(qū)塊寧201井區(qū)-YS108井區(qū)和威遠頁巖氣田威202井區(qū)共提交探明儲量1 635.3×108m3。我國與北美頁巖氣藏地質條件存在較大差異，已發(fā)現(xiàn)并進行勘探開發(fā)的頁巖氣藏均為熱解成因的頁巖氣藏。本文以國內四川盆地及國外獲得成功的頁巖氣田為分析研究對象，通過詳細討論高產頁巖氣藏的四個基本條件，提出不同于以往頁巖氣的勘探理念，為未來我國頁巖氣勘探提供一種新的思路。

1　頁巖氣成藏機理新認識

1.1頁巖氣成藏要素與常規(guī)氣藏類似

在以往的頁巖氣評價研究中，學者通常篩選出有機質豐度、熱成熟度、含氣性等八大地質因素，這些因素毋庸置疑是分析頁巖生烴的關鍵地質參數(shù)，但對于頁巖氣藏評價來說顯然不夠全面，也導致了頁巖氣藏經常被誤認為是“連續(xù)成藏”的聚集模式[1-2]。筆者認為，生物成因的淺層頁巖氣與煤層氣藏相類似，主要以吸附氣為主，開采方法是緩慢的排水降壓解吸附模式；而熱解成因的頁巖氣藏與常規(guī)油氣勘探開發(fā)相似，屬于小規(guī)模的不連續(xù)的巖性氣藏。我國不少地區(qū)已在頁巖地層中發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣資源，如松遼盆地的古龍坳陷，渤海灣盆地的遼河凹陷，柴達木盆地的茫崖坳陷，江漢盆地的潛江凹陷，四川盆地的川西南及酒泉盆地的花海坳陷等等[2]。這些頁巖油氣常常與常規(guī)油氣藏伴生或者空間分布上存在一定聯(lián)系。實際上，頁巖氣與常規(guī)油氣藏評價方面同樣遵從“生儲蓋、圈運?！盵3-12]的思路，兩者并無本質區(qū)別。

1.2游離態(tài)頁巖氣更具有商業(yè)開采價值

頁巖氣以吸附態(tài)、游離態(tài)為主要賦存方式，溶解氣極少，可忽略不計。吸附氣存在于干酪根、黏土顆粒及孔隙表面；游離氣存在于微裂縫、孔隙內。由于水分子的極性比甲烷分子強，泥巖中礦物顆粒優(yōu)先吸附水，而甲烷在水中的溶解度極低，因此，泥巖中甲烷的吸附量很小[13]。隨著地層埋深增加，吸附氣含量無明顯變化而游離氣含量逐步增加，在1 150 m處，頁巖氣主要以游離氣為主，在2 800 m時，游離氣約為吸附氣的2倍[14]，頁巖氣藏的合理埋藏深度為2 000～4 000 m。根據(jù)陳更生[15]的研究結果，從北美主要頁巖氣藏的游離氣、吸附氣含量統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，高產氣田的游離氣含量所占比例較高(圖1)。僅有少量淺層生物成因的頁巖氣田主要是吸附氣，如美國密歇根盆地中上二疊統(tǒng)Antrim頁巖[16-17]、伊利諾伊州盆地的New Albany頁巖[16，18]，生產動態(tài)與煤層氣類似，我國這種情況較少。

在有效工業(yè)開采階段，主要生產游離氣，一旦游離氣開采接近尾聲，單井經濟效益接近盈虧平衡點時，一般還要進行重復壓裂，以重新獲得游離氣產量?？梢娪坞x態(tài)頁巖氣才真正具有工業(yè)開采價值。

圖1　吸附氣與游離氣在不同頁巖氣藏中的含氣量[15]

1.3頁巖氣與煤層氣的區(qū)別

頁巖氣與煤層氣均為非常規(guī)天然氣，賦存方式卻截然不同。熱解成因的頁巖氣主要為游離氣，煤層氣主要為吸附氣。主要原因是：①甲烷分子傾向被吸附于有機質干酪根，泥頁巖中有機質含量相對較少(2%左右)，因而吸附甲烷分子數(shù)量較少。而煤層的有機質含量是泥頁巖的40倍(80%左右)，甲烷吸附量也近乎為泥頁巖的40倍[19]；②煤層氣一般埋藏較淺，地表構造運動極易破壞煤層的上覆巖層，使得其蓋層封存能力差，游離氣逃逸散失而無法聚集。而頁巖氣埋藏較深，上覆巖層厚，泥巖或致密灰?guī)r都是其良好頂板。鑒于此，頁巖氣勘探方法應主要借鑒常規(guī)油氣勘探方法，而不能一味地沿用煤層氣的研究方法。以地質鉆孔和繩索取心方式來了解吸附氣含量，尤其是估算殘余氣含量和解析氣含量往往偏高，容易造成高含氣量指標的假象。鉆井現(xiàn)場頁巖快速解吸獲得的總含氣量主要為吸附氣量，游離氣量占比較小，不能代表真實的地層游離氣量比重[20]，據(jù)此得到的頁巖氣部署開發(fā)方案欠妥。實際上，利用測井解釋結果，結合現(xiàn)場鉆井泥漿性能變化、氣測顯示可以很好地進行這類頁巖氣含氣量評價。當然，如果研究淺層生物成因頁巖氣，可以沿用煤層氣的研究方法。

2　頁巖氣富集高產的必要條件

頁巖獲得高產，主要取決于三個必要條件：頁巖生氣能力強、微裂縫發(fā)育和保存條件良好。烴源巖的生烴能力是基礎，構造、保存條件是關鍵，三者缺一不可。

2.1烴源巖生烴能力

美國頁巖氣藏廣泛發(fā)育于海相沉積盆地的上古生界及侏羅系，加拿大的頁巖氣重點勘探區(qū)為西部沉積盆地的上白堊統(tǒng)、侏羅系、三疊系和泥盆系[4]。斯倫貝謝公司根據(jù)北美頁巖氣含氣盆地統(tǒng)計，提出了源巖的有機碳含量(TOC)原則上應當高于2.0%，富有機質頁巖厚度一般在30 m以上，最有利頁巖氣富集的Ro值為1.1%～2.0%[3-5]。

我國發(fā)育的海相頁巖主要分布于揚子地臺及塔里木盆地，目的層為古生界寒武系和志留系，普遍具有時代老、盆地內部埋深大、熱演化程度高的特點[21]。比如貴州岑鞏區(qū)塊的岑頁1井，目的層牛蹄塘組頁巖的成熟度過高(2.5%～2.9%)，有機質已經炭化，失去了生氣能力[22]。頁巖氣的緩慢擴散作用以及區(qū)塊內斷裂發(fā)育，使得游離氣散失殆盡，只剩下吸附氣，壓裂試氣結果顯示，地層壓力系數(shù)僅為0.55。因此，要尋找仍有生氣能力的頁巖層，并且有較好的保存條件，干酪根不斷向裂縫中充填氣體，才能保證異常高壓系統(tǒng)恒定，并且維持動態(tài)平衡狀態(tài)。

2.2微裂縫發(fā)育

頁巖氣的成藏機理為巖性圈閉氣藏，其可采儲量取決于微裂縫的數(shù)量、大小及連通情況。由于頁巖致密，滲透率極低 ，巖層中的微裂縫不僅是頁巖氣的儲集空間，也是其流入井孔的通道。后期進行人工改造也是要將一系列的孔隙連通形成網(wǎng)狀裂縫，以增大儲集和流通空間。

因此對于泥頁巖儲層，地層應力絕對值較小，且水平主應力差較小(小于4%)，天然微裂縫發(fā)育(每米2條以上)，有效孔隙度大于4%，為有效的頁巖儲層。如北美Michigan盆地北部Antrim組頁巖層中發(fā)育北西向、北東向兩條天然微裂縫系統(tǒng)，近乎垂直[5]，為典型的裂縫發(fā)育的頁巖。

2.3保存條件

背斜為正向構造，有利于頁巖氣的匯聚。國內外成功頁巖氣藏絕大多數(shù)發(fā)育于寬緩的背斜構造或單斜構造中。以四川盆地涪陵地區(qū)的海相頁巖氣田為例，焦石壩地區(qū)位于深水陸棚的沉積中心，構造主體表現(xiàn)為“似箱狀斷背斜”的形態(tài)(圖2)，即頂部寬緩、地層傾角小、斷層較少，頁巖地層產狀小于10°，兩翼發(fā)育隔擋斷層[23]，使得頁巖氣聚集而得以保存。除此之外，美國Texas州Bend背斜帶的Barnett頁巖及許多大型氣田也有類似的構造特征[24]。

向斜為負向構造不利于頁巖氣的匯聚。典型范例如彭水地區(qū)的彭頁1井，位于恩施-務川北東向大型背斜中部的桑柘坪向斜一翼，沒有反向斷層形成側向遮擋，龍馬溪組直接以單斜形式出露地表；再如位于黔南坳陷黃平向斜的黃頁1井，也是目的層以單斜形式出露，頁巖氣順層側向逃逸，表現(xiàn)為單井低產。

圖2　焦石壩地區(qū)頁巖氣藏剖面圖[23]

實際上，若是頁巖目的層位于向斜構造中，且兩側發(fā)育反向斷層隔擋(例如四川盆地內部的長寧地區(qū)，向斜兩翼均有泥巖逆斷層[25])依然可保證頁巖氣不至擴散。因此，封閉的構造條件對于頁巖氣的保存十分關鍵。

除了構造因素外，頁巖頂?shù)装鍘r性越致密，厚度越大，保存條件越好。譬如焦頁1井目的層之上的灰黑色頁巖厚51 m。頁巖、粉砂質泥巖、致密灰?guī)r均為很好的封隔層，且與鄰層應力存在一定的差異(大于15 MPa)。同時，上覆地層最好也發(fā)育烴源巖。據(jù)統(tǒng)計，每100 Ma氣體擴散約10 m，而上覆烴源巖層的存在，起到了對目的層頁巖氣擴散的抑制作用，即“烴濃度封閉作用”[26]。

3　中國頁巖氣勘探開發(fā)前景

頁巖氣勘探主要是確定儲層“甜點”區(qū)和有利的構造分布[27]。其有利富集相帶為前陸盆地和克拉通盆地，最有利區(qū)主要集中于盆地中心偏斜坡處，是各類裂縫和溶蝕作用繼承性疊加發(fā)育的部位，譬如涪陵地區(qū)大安寨段黑色頁巖[28]。

前陸盆地由于構造活動強烈，且頁巖埋藏深，吸附氣含量較低，通常處于超壓狀態(tài)，天然裂縫限定在頂?shù)装逯畠?，有利于形成頁巖氣藏。針對構造相對活躍的前陸盆地，提出頁巖氣的保存條件在頁巖氣成藏評價中權重最高，即頁巖品質30%，經濟性30%，保存條件40%?？死ㄅ璧氐捻搸r氣埋藏較淺，如鄂爾多斯盆地，保存條件要求不高，頁巖厚度、高角度天然微裂縫發(fā)育有利于開采。

3.1國內頁巖氣勘探進展及效果

自2009年至2014年底，國內相關單位均在揚子地臺、華北地臺、環(huán)渤海灣盆地及柴達木盆地等做了大量頁巖氣勘探工作(圖3)。但從勘探成效看，只有位于盆地內部及邊緣的探井成功率較高，單井日產突破1×104m3的探井比例很高，盆地外目前還沒有工業(yè)突破。

3.2盆地仍將是重點勘探區(qū)域

國內頁巖氣勘探最活躍的區(qū)域集中在南方海相頁巖，主要層系為下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，以四川盆地的勘探開發(fā)進展最為顯著。

四川盆地以齊岳山斷裂為界，盆地內相對完整，保存條件較好，頁巖氣勘探成功率遠遠大于盆地外。盆地內寒武系的筇竹寺組和志留系的龍馬溪組富含有機質的泥頁巖層分布范圍廣、厚度大且普遍含氣，并認為筇竹寺組和龍馬溪組地層的頁巖氣資源儲量為(6.8～8.4)×1012m3，相當于四川盆地的常規(guī)資源總量[29]。四川盆地志留系龍馬溪組頁巖與美國Fort Worth盆地石炭系Barnett組頁巖相似，兩者均為碎屑巖和碳酸鹽混合沉積，為海侵體系域的產物，是深水陸棚至盆地相的黑色富有機質頁巖。兩者所經歷的構造成烴演化也相似，均發(fā)生早期的快速沉降，受到復雜熱事件的影響。不過四川盆地的埋深更大、演化程度更高、脆性礦物含量較低[30-32]。

經國內外大量規(guī)律印證，無論哪個層系，頁巖氣與常規(guī)油氣藏一樣，有利區(qū)均在盆地內部[33-34]，盆地外部的構造運動強烈，普遍具有地層破碎、埋藏淺、傾角大、黑色頁巖層薄等缺點，尋找高產頁巖氣藏難度很大。且頁巖氣藏距離常規(guī)天然氣藏不會太遠，在大型常規(guī)氣藏附近開展頁巖氣勘探較為有利。

圖3　四川盆地周緣探井部署圖(據(jù)國土資源部2014年公布數(shù)據(jù))

3.3重點勘探目的層系

(1)下志留統(tǒng)龍馬溪組：長寧威遠示范區(qū)、筠連示范區(qū)有望近兩年進行工業(yè)化生產，永川富順也有望成為較大的產能區(qū)塊。2015年僅四川盆地就可實現(xiàn)65 ×108m3頁巖氣產能。

(2)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組：中國石油在南方海相下寒武統(tǒng)牛蹄塘組直井初產氣量已經達到3×104m3/d，中國石化在四川盆地西南坳陷威遠構造南西斜坡金頁HF-1井，目的層是下寒武統(tǒng)筇竹寺組，目前產氣量8×104m3/d。

(3)石炭系、二疊系：鄂爾多斯盆地石炭系和二疊系埋深合適，延長油田在伊陜斜坡南緣東段實施云頁平1井，對山西組分段壓裂獲得頁巖氣2 ×104m3/d。在鄂爾多斯盆地北部實施鄂頁1井，在太原組獲得1.95×104m3/d的穩(wěn)定產量。在貴州六盤水地區(qū)水城實施水頁1井，石炭系頁巖也獲得間歇高產，折算5×104m3/d。

(4)侏羅系、三疊系：在川東建南區(qū)塊和涪陵區(qū)塊北部、川東北元壩區(qū)塊的下侏羅統(tǒng)自流井組、川西地區(qū)三疊系須家河均組取得重要進展。延長石油在鄂爾多斯三疊系陸相鉆井也獲得頁巖氣流。

4　結論

(1)熱解成因的頁巖氣與常規(guī)油氣具有共性。以游離態(tài)為主的頁巖氣與常規(guī)氣氣藏評價方面同樣遵從“生儲蓋，圈運?！本C合研究思路，差異表現(xiàn)為賦存的孔隙或微裂縫是否互相連通，以及兩者的運移距離不同，但總體成藏機理本質相同，因此，應按照常規(guī)氣藏的勘探開發(fā)思路研究頁巖氣成藏因素。

(2)測試手段不當易對頁巖氣儲量評估造成誤差。熱解成因的頁巖氣主要以游離態(tài)賦存，這類頁巖層中吸附氣對開采貢獻率較小，與煤層氣和淺層生物成因的頁巖氣截然不同。因此用研究煤層氣的技術手段應用于熱解成因的頁巖氣會造成較大的誤差。

(3)多項頁巖氣藏評估條件必須綜合考慮。熱解成因的頁巖氣為巖性圈閉氣藏，除了常規(guī)的八大成藏地質要素研究十分重要之外，不斷生氣的烴源巖、大量發(fā)育的微裂縫、兩側封閉的寬緩背斜、頂?shù)装鍘r性圈閉，是頁巖氣富集高產的重要因素。

(4)不建議將過多精力和資金用在構造運動強烈、保存條件較差的盆地外區(qū)域進行頁巖氣勘探。以盆地為重點對象，以主要目的層為研究對象，才能推動頁巖氣工業(yè)化生產，才是中國頁巖氣發(fā)展的正確方向。

[1]蔣裕強,董大忠,漆麟,等.頁巖氣儲層的基本特征及其評價[J].天然氣工業(yè),2010,30(10):7-12.

[2]張小龍，張同偉，李艷芳，等.頁巖氣勘探和開發(fā)進展綜述[J].巖性油氣藏,2013,25(2):116-122.

[3]頁巖氣地質與勘探開發(fā)實踐叢書編委會.中國頁巖氣地質研究進展[M].北京：石油工業(yè)出版社,2011：93-101.

[4]肖鋼，唐穎.頁巖氣及其勘探開發(fā)[M].北京：高等教育出版社,2012：105-120.

[5]李新景，胡素云，程克明．北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示[J].石油勘探與開發(fā)，2007，34(4):392-400.

[6]范昌育，王震亮.頁巖氣富集與高產的地質因素與過程[J].石油實驗地質，2010,32(5)：465-469.

[7]李慶輝,陳勉,金衍,等.頁巖氣儲層巖石力學特性及脆性評價[J].石油鉆探技術,2012,40(4):17-22.

[8]刁海燕.泥頁巖儲層巖石力學特性及脆性評價[J].巖石學報,2013,29(9):3 300-3 306.

[9] Rickman R，Mullen M，Petre E，et al．A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization：all shale plays are not clones of the Barnett Shale[C].SPE 1 15258，2008．

[10]趙群,王紅巖,劉大錳,等.中上燕子地區(qū)龍馬溪組頁巖氣成藏特征[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版), 2013,32(7):896-900.

[11]郭旭升,胡東風,文治東,等.四川盆地及周緣下古生界海相頁巖氣富集高產主控因素——以焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組為例[J].中國地質,2014,41(3):893-901.

[12]郭旭升,李宇平,劉若冰,等.四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖微觀孔隙結構特征及其控制因素[J].天然氣工業(yè),2014,34(6):9-16.

[13]李傳亮,朱蘇陽.頁巖氣其實是自由氣[J].巖性油氣藏,2013,25(1):1-15.

[14]李玉喜,喬德武,姜文利,等.頁巖氣含氣量和頁巖氣地質評價綜述[J].地質通報,2011,30(2-3):308-317.

[15]陳更生,董大忠,王世謙,等.頁巖氣藏形成機理與富集規(guī)律初探[J].天然氣工業(yè),2009,29(5): 17-21.

[16]朱炎銘,周友,司慶紅,等.生物成因非常規(guī)天然氣研究進展及展望[J].石油學報,2013,34(2):405-411.

[17]陶明信,王萬春,解光新,等.中國部分煤田發(fā)現(xiàn)的次生生物成因煤層氣[J].科學通報,2005,50(增刊):14-18.

[18]Brown A.Identification of source carbon for microbial methane in unconventional gas reservoirs[J].AAPG Bulletin,2011，(8):1 321-1 338.

[19]李傳亮,彭朝陽,朱蘇陽.煤層氣其實是吸附氣[J].巖性油氣藏,2013,25(2):112-122.

[20]石文睿,郭美瑜,張占松,等.頁巖吸附與解吸氣量實驗測量實例研究[J].科學技術與工程,2015,15(7):167-172.

[21]鄒才能,董大忠,王社教,等.中國頁巖氣形成機理、地質特征及資源潛力[J].石油勘探與開發(fā),2012,37(6):641-653．

[22]楊堃,車建煒,初軍,等.岑頁1井試氣影響因素探討[J].石油地質與工程,2015,29(3):104-109.

[23]王志剛.涪陵頁巖氣勘探開發(fā)重大突破與啟示[J].石油與天然氣地質,2015,36(1):1-6.

[24]Richard M Pollastro,Daniel M Jarvie,Ronald J Hill,et al.Geologic framework of the Mississippian Barnett Shale,Barnett-Paleozoic total petroleum system,Bend arch-Fort Worth Basin,Texas[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):405-436.

[25]郭彤樓,張漢榮.四川盆地焦石壩頁巖氣田形成與富集高產模式[J].石油勘探與開發(fā),2014,41(1):28-36.

[26]謝舟,盧雙舫,于玲,等.泥質氣源巖層內天然氣擴散損失量評價——以黔南坳陷黃頁1 井九門沖組頁巖為例[J].礦物學報,2014,34(1):137-143.

[27]王拓,朱如凱,白斌,等.非常規(guī)油氣勘探、評價和開發(fā)新方法[J].巖性油氣藏,2013,25(6):35-39.

[28]顧忠安，鄭榮才，王亮，等.渝東涪陵地區(qū)大安寨段頁巖儲層特征研究[J].巖性油氣藏,2014,26(2):67-72.

[29]羅健,戴鴻鳴,邵隆坎,等.四川盆地下古生界頁巖氣資源前景預測[J].巖性油氣藏,2012,24(4):70-74.

[30]曾祥亮,劉樹根,黃文明，等.四川盆地志留系龍馬溪組頁巖與美國Fort Worth盆地石炭系Barnett組頁巖地質特征對比[J].地質通報,2011,30(2-3):372-384.

[31]聶海寬,張金川,張培先，等.福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏特征及啟示[J].地質科技情報,2009,28(2):87-93.

[32]李新景,呂宗剛,董大忠,等.北美頁巖氣資源形成的地質條件[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):1-6.

[33]聶海寬,張金川.頁巖氣藏分布地質規(guī)律與特征[J].中南大學學報(自然科學版),2010,41(2):700-708.

[34]董大忠,程克明,王世謙,等.頁巖氣資源評價方法及其在四川盆地的應用[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):33-39.

編輯：趙川喜

1673-8217(2016)05-0001-05

2016-04-18

楊堃，高級工程師，1965年生，1988年畢業(yè)于中國地質大學(武漢)石油地質專業(yè)，現(xiàn)從事油氣地質研究工作。

TE112.115

A